電磁軌道炮接觸熱時空分布特性分析*

王志恒，萬 敏，李小將

(1.裝備學院研究生管理大隊，北京 101416；2.裝備學院航天裝備系，北京 101416)

1 引 言

電磁軌道炮是一種依靠軌道和電樞間的電磁力加速載荷的發射裝置，在軍事領域、航天領域和超高速撞擊實驗領域具有巨大的應用潛力。電磁軌道炮發射電樞過程中，電樞與軌道接觸面通過兆安級脈沖電流，為保證電樞與軌道處于良好的電接觸狀態，電樞與軌道間要保持適當的接觸壓力。在這種高速、脈沖大電流的滑動電接觸狀態下，電樞與軌道接觸面會產生大量的接觸熱，即摩擦熱和焦耳熱。接觸熱的作用可能使電樞和軌道接觸面發生熔化，嚴重影響電磁軌道炮的可靠性和軌道的使用壽命。在高頻發射情況下，軌道內周期性熱積累可能導致軌道溫升過高，引起軌道形變，進而影響發射參數。

接觸熱時空分布是指接觸熱與發射時間和電樞位置的關系，針對接觸熱時空分布特性的研究是進行電樞熔化抑制、軌道散熱設計和軌道熱管理的重要依據。陶孟仙等人[1]采用電接觸理論近似模型對銅軌道和鋁電樞的電熱物理特性進行了分析與計算，但是未考慮溫度梯度對電樞與軌道間熱量分配系數的影響；徐偉東等人[2]對連續發射電磁軌道炮接觸熱引起的電樞溫升進行了仿真計算，但是忽略了摩擦熱的影響。鞏飛等人[3]模擬了非理想電接觸表面的電磁和熱擴散過程，并分析了接觸區域的電阻層、熱導參數和電流波形對接觸面熱效應的影響，但是未考慮接觸壓力對接觸電阻的影響。Motes等人[4]設計了中等口徑軌道炮軌道溫度測量系統，研究了焦耳熱向軌道內的擴散情況。Bayati等人[5]提出了一種混合時域有限元方法計算軌道表面和邊緣的焦耳熱分布。Smith等人[6]研究了單次發射過程中能量在各元件上的分配情況。Vanicek等[7]和Li等[8]分別采用三維有限元編碼EMAP3D和有限軟件ANSYS仿真研究了焦耳熱產生量隨時間的變化情況。

本研究在電磁軌道炮電樞與軌道接觸壓力和接觸電阻計算模型的基礎上，建立接觸熱時空分布的計算模型，對接觸熱時空分布特性進行仿真和分析，并針對接觸熱在電樞運動初始階段過度集中的問題，考慮采用電樞前級加速方式降低單位長度軌道傳導的接觸熱，以期為電樞熔化抑制、軌道散熱設計和軌道熱管理等問題提供參考。

2 電樞與軌道接觸壓力和接觸電阻計算模型

電磁軌道炮發射電樞時，電樞與軌道間是一種高速、脈沖大電流的滑動電接觸狀態，電樞與軌道接觸面附近溫升的熱量來源于這種滑動電接觸狀態產生的摩擦熱和電流焦耳熱。接觸壓力和接觸電阻是影響摩擦熱和焦耳熱產生的重要狀態參數，要對摩擦熱和焦耳熱進行計算，首先要給出接觸壓力和接觸電阻的計算模型。

2.1 接觸壓力計算模型

電樞與軌道間適當的接觸壓力是保持良好電接觸狀態的前提，Marshall的經驗公式“每安培1 g”法則[9]是評判接觸壓力是否合適的重要依據。C形電樞能夠充分利用電樞預壓力和電磁壓緊力，是目前普遍采用的電樞構型。

圖1 電樞與軌道接觸壓力Fig.1 Contact pressure between armature and rails

電樞預壓力由電樞的尺寸過盈在填裝入軌道時產生。理論上，電樞運動過程中，電樞側面因摩擦的存在而發生表面材料磨損，從而使電樞預緊力下降；但是由于電樞溫升會造成體積略微膨脹，部分抵消磨損造成的尺寸變化，因此我們近似認為電樞運動過程中，電樞預壓力保持不變。

電磁壓緊力是電樞兩臂受到的電磁力FM垂直于軌道方向的分量，這里研究C形電樞的電磁壓緊力。設流入電樞的電流與接觸面的夾角為α，則接觸面受到的電磁壓緊力Fm可近似表示為

(1)

式中：L′為電磁軌道炮電感梯度，I為驅動電流強度。

設電樞預壓力為F0，則接觸壓力Fc可近似表示為

(2)

2.2 接觸電阻計算模型

電磁軌道炮焦耳熱來源于電樞與軌道接觸電阻的焦耳熱效應，在未發生電樞轉捩的情況下，接觸電阻一般在微歐至毫歐量級。一般采用金屬-金屬電接觸理論對電樞和軌道接觸電阻進行建模。該理論認為，兩種金屬實際的接觸面由一些接觸斑點構成，且接觸表面覆蓋著氧化膜，接觸電阻Rc是氧化膜電阻Rf和收縮電阻Rs之和[11]，即

(3)

電樞填裝入軌道時，電樞和軌道表面氧化膜被破壞，因此可以認為接觸電阻近似等于收縮電阻，即

(4)

式中：ρ1和ρ2分別為電樞和軌道材料電阻率，ai為接觸斑點半徑。

金屬與金屬間的有效接觸面積與接觸壓力存在近似的線性關系，即

(5)

式中：Ac為有效接觸面積；Fc為接觸壓力；H為接觸對中較軟材料的硬度；η為彈性變形的修正系數，取值范圍為0～1，接觸壓力很大時，η取值一般小于0.1[12]。

假設電樞和軌道間的實際接觸斑點大小、分布均勻，接觸斑點半徑為a，接觸斑點數為n，則有

(6)

(4)式～(6)式聯立可得接觸電阻的計算模型為

(7)

由(7)式可以看出，電樞和軌道接觸電阻的大小主要受到接觸壓力、電樞和軌道材料的電阻率、接觸斑點數目等因素的影響。

3 接觸熱時空分布計算模型

由于電樞在軌道上運動過程中，電樞的接觸區域保持不變，而軌道的接觸區域則不斷變化，因此，電樞傳導的接觸熱具有時間分布的特點，軌道傳導的接觸熱具有空間分布的特點。了解接觸熱的時間分布特性有助于研究電樞溫度隨時間的變化規律，了解接觸熱的空間分布特性有助于研究軌道上各位置溫度分布的規律。

3.1 接觸熱時間分布的計算模型

接觸熱時間分布是指電樞發射過程中單位時間內產生接觸熱隨時間的變化規律，即接觸熱功率隨時間變化規律。

摩擦熱由電樞克服軌道對其摩擦阻力產生，假設電樞與軌道間的摩擦力與接觸壓力成正比，則電樞與軌道間的摩擦熱功率可表示為

(8)

式中：Ff為摩擦力，μ為滑動摩擦系數，v為電樞速度。

焦耳熱功率Pr可由焦耳定律得出

(9)

接觸熱的總功率為焦耳熱功率和摩擦熱功率之和，即

(10)

3.2 接觸熱空間分布的計算模型

接觸熱空間分布是指電樞運動單位距離所產生的接觸熱隨電樞位置的變化規律。在t1～t2時間段內，電樞運動單位距離平均產生的接觸熱可表示為

(11)

式中：p(t)為t時刻的接觸熱功率；v(t)為電樞速度，且滿足v(t)>0。令(11)式中t2→t1，則可得到t時刻電樞運動單位距離產生的接觸熱

(12)

研究接觸熱空間分布主要是為了更好地描述軌道上各位置傳導的接觸熱，從而掌握軌道上的溫度分布，因此這里重點研究單位長度軌道傳導的接觸熱。

接觸熱產生后一部分傳遞給軌道，一部分傳遞給電樞，假設在t時刻軌道傳導熱量在接觸熱中的比例為λ，則t時刻單位長度軌道傳導的接觸熱為

(13)

文獻[1]認為比例系數λ只與電樞和軌道材料的熱導率有關，即假設

(14)

式中：k1、k2分別為軌道和電樞材料的熱導率。(14)式未考慮溫度梯度對熱量分配系數的影響，根據傅里葉定律[13]，接觸點附近的熱流密度與熱導率和溫度梯度的乘積成正比，因此在(14)式中加入修正系數，即

(15)

式中：ξ1為接觸點溫度與附近軌道溫度差值；ξ2為接觸點溫度與電樞接觸面溫度差值。把(15)式代入(13)式，并令t2→t1，可得t時刻單位長度軌道傳導的接觸熱為

(16)

(16)式不顯含電樞各時刻的位置，但是各時刻電樞的位置x(t)是已知的，由此可以建立電樞位置x(t)與Er(t)的映射Er(x)。Er(x)即為接觸熱空間分布，可以用于研究軌道上各位置傳導的接觸熱。

4 仿真算例與特性分析

4.1 仿真條件

假設某電磁軌道炮由脈沖形成網絡和發射裝置組成，給定其發射過程中的驅動電流、電樞速度和電樞位移如圖2所示，在此條件下研究電磁軌道炮摩擦熱和焦耳熱的時空分布特性。電磁軌道炮摩擦熱和焦耳熱的相關計算參數如表1所示，其中H1和H2分別表示電樞和軌道的硬度，μ0為靜摩擦系數。

表1 電磁軌道炮摩擦熱和焦耳熱的相關計算參數Table 1 Parameters for calculating railgun friction heat and Joule heat

4.2 接觸熱的時間分布特性

根據表1中參數，利用(8)式和(9)式計算得到電磁軌道炮的摩擦熱和焦耳熱功率隨時間的變化關系，結果如圖3所示。由圖3可知，摩擦熱功率隨時間增加先上升后下降，焦耳熱功率的變化曲線與驅動電流波形具有較大的相似性，采用控制電流波形的方法可以調制接觸熱功率曲線；同時，焦耳熱功率比摩擦熱功率高一個數量級，即接觸熱功率主要由焦耳熱功率構成，可以近似認為電樞與軌道溫升主要由焦耳熱引起。此外，從圖3還可以看出，摩擦熱并不是從零時刻開始產生，這是由于靜摩擦力的存在，電樞在0.2 ms才開始運動，因此在0.2 ms以前摩擦熱功率為零。

圖2 發射過程中的驅動電流波形、電樞速度和電樞位移曲線Fig.2 Curves for input current,armature velocity and armature displacement

圖3 發射過程中的摩擦熱功率Fig.3 Power curves for friction heat and Joule heat during launching

圖4 軌道各位置單位長度傳導接觸熱Fig.4 Contanct heat conducted by unit length rail versus displacement

4.3 接觸熱的空間分布特性

電樞在軌道上滑動，接觸點附近的軌道溫度低于電樞，故ξ1>ξ2，這里取ξ1=5ξ2。軌道和電樞的材料分別為銅合金及鋁合金，取k1=92 W/(m·℃)、k2=130 W/(m·℃)，計算得λ=0.779，即接觸熱中的77.9%傳遞給軌道。根據(16)式及電樞位移與時間的關系x(t)得到軌道各位置單位長度傳導的接觸熱，如圖4所示。從圖4可以看出，在電樞初始位置附近，軌道單位長度傳導的接觸熱最大，隨著電樞運動距離的增加，單位長度軌道傳導的接觸熱迅速下降，因此，電樞運動的初始階段，電樞和軌道燒蝕比較嚴重。對電樞運動2.5 m距離內的接觸熱進行計算，得到接觸熱總量為60.19 kJ，前0.5 m內接觸熱為28.35 kJ，占接觸熱總量的47.1%，由此可見，電樞運動初始階段，軌道傳導了大量接觸熱，是需要重點散熱的區域。

5 電樞初速度對接觸熱時空分布特性的影響

(16)式等號右端分母中含有電樞速度，因此考慮研究電樞初速度對接觸熱時空分布特性的影響。假設某型電磁軌道炮前級加速或其他加速裝置令電樞分別以50、100、200、400 m/s進入軌道，然后進行電磁發射，仍采用表1中的相關參數設置，對不同初速度條件下單位長度軌道傳導接觸熱進行仿真，所得結果如圖5所示。

從圖5中可以看出，電樞具有初速后，電樞運動初始階段軌道傳導的接觸熱顯著降低，初速越大，則單位長度軌道傳導的接觸熱越少。這對抑制電樞運動初始階段的軌道燒蝕具有重要參考價值，可以采用電樞預加速或多級加速抑制接觸熱過度集中。

圖6給出了電樞初速不同的條件下接觸熱功率隨時間的變化。圖6顯示，當電樞初速度為50、100、200、400 m/s時，電樞的出膛時刻分別為T1、T2、T3、T4。不同電樞初速度的條件下，接觸熱功率曲線的變化趨勢幾乎一致，只是在持續時間上有區別，這里只給出了接觸熱功率曲線的后半段。可見，電樞初速度越高，電樞越早出膛，電樞的熱積累越少，溫升越小，越有利于抑制電樞的熔化。

圖5 不同電樞初速度條件下單位長度軌道傳導接觸熱Fig.5 Contanct heat conducted by unit length rail versus displacement for different armature initial velocities

圖6 不同電樞初速度條件下接觸熱功率曲線Fig.6 Contanct heat power cureves for different armature intial velocities

6 結 論

對電磁軌道炮電樞與軌道間接觸熱時空分布特性進行了建模和仿真分析，結果表明：(1) 電磁軌道炮接觸熱主要來源于電流焦耳熱，焦耳熱功率曲線與驅動電流曲線相似；(2) 可以采用單位長度軌道傳導接觸熱描述接觸熱的空間分布，電樞運動初始階段，軌道傳導了大量接觸熱，是需要重點進行散熱和熱管理的區域；(3) 電樞初速度直接影響接觸熱的時間分布特性，電樞初速度越大，電樞運動初始階段單位長度軌道傳導接觸熱越少，發射過程中電樞上的熱積累也越少。

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